強韌型金屬纖維多孔材料制備、力學行為及其內植物應用研究.pdf

1、傳統(tǒng)的金屬多孔材料制備技術普遍存在著工藝與成本方面的不足，并且多以犧牲強度為代價的，因此尚不能解決高強度、高韌性與低彈性模量這一矛盾。在此背景下，本課題研制了以生物醫(yī)學為應用對象的金屬纖維多孔材料(主要包括纖維多孔鈦和纖維多孔鋼)，其制備實際上屬于一種改進的冶金方法，是通過預繞制壓實及后續(xù)燒結(和熱處理)制備出不同孔隙率的多孔材料。為了揭示金屬纖維多孔材料的宏觀力學行為和微觀變形機制，本課題從其多孔結構研究入手，在試驗、檢測、分析、計算

2、的基礎上，探明其結構性能關系，為改進和優(yōu)化多孔材料制備技術與工藝、提高多孔材料性能、指導其醫(yī)學臨床應用等提供重要的實驗與理論依據(jù)。
　　 基于電子分析天平、蔡司材料顯微鏡、體視顯微鏡、掃描電子顯微鏡、Tomography技術、能譜分析儀、X射線衍射儀、萬能材料試驗機等相關設備與方法研究得知：
　　 金屬纖維多孔材料具有三維且高貫通性的孔結構，從表到里都分布著大量的互相連通的微孔和縫隙。無論是隨機型還是螺線型都屬于各向異性

3、材料，其纖維/絲之間相互纏繞。在其成型受壓面上，纖維/絲多為平行于受壓面分布。它的形狀及空間分布比其它的泡沫結構(例如三維多面體、三維球面圍成的空隙結構、或由球體堆積形成的球面間隙結構)更為復雜。存在于連續(xù)隨機網狀空間結構中的大量交叉連接點經燒結后(即燒結點)貢獻于纖維多孔材料的力學性能。
　　 控制多孔結構和孔隙率的主要因素按重要性遞減的順序可列為：纖維/絲直徑>成型壓力>燒結溫度>燒結時間。燒結(及熱處理)前后纖維多孔鈦的成

4、分和物相保持一致，都是密排六方結構的α-Ti單相組織，為預先期望的組織。本文很好地說明了燒結工藝的重要性，纖維/絲在相接觸處被燒結連接在一起，從而提高了金屬纖維多孔材料的剛度和強度。
　　 對纖維多孔鈦，無論是絲徑為0.08mm還是絲徑為0.15mm；無論是隨機型還是螺線型，其準靜態(tài)單軸壓縮應力-應變曲線都經歷三個典型的階段(即彈性階段、塑性平臺階段和致密化階段)，且其壓縮平臺強度和壓縮模量都隨孔隙率的減小而快速提高。扭曲的纖維

5、/絲的移動、旋轉、彎曲、屈曲或褶皺以及燒結點的剖開或破裂，是隨機型纖維多孔鈦單軸壓縮變形和失效的主要機制。纖維/絲螺旋卷的彎曲、相互嚙合、壓扁及燒結點的剖開或破裂，是螺線型纖維多孔鈦單軸壓縮變形和失效的主要機制。纖維多孔鈦的偽彈性滯后行為、阻尼特性及能量耗散能力在工程、生物醫(yī)學、航空、航天、及其他工業(yè)應用方面是非常有前途的。
　　 兩種絲徑制備的隨機型纖維多孔鈦的拉伸應力.應變曲線都經歷四個階段，即(Ⅰ)初始彈性階段；(Ⅱ)屈服

6、、塑性變形開始且局部纖維/絲發(fā)生破裂；(Ⅲ)斷裂的擴展和應力急劇下降；(Ⅳ)完全失效。隨著孔隙率的增加，兩種絲徑所制備的隨機型纖維多孔鈦的拉伸強度和彈性模量都急劇下降，而最大力總伸長率則隨孔隙率的增大而增大。結構變形和纖維/絲的塑性變形貢獻于的隨機型纖維多孔材料總的變形。扭曲的纖維/絲伸展、燒結點剖開或破裂及纖維/絲向拉伸載荷方向旋轉是隨機型纖維多孔鈦拉伸塑性變形和失效的主要機制，其纖維多孔結構中的單根纖維/絲以韌性縮頸方式變形和失效。

7、
　　 兩種絲徑制備的隨機型纖維多孔鈦的彎曲力.撓度曲線都經歷四個階段，即(Ⅰ)初始彈性階段；(Ⅱ)屈服、塑性變形開始且局部纖維/絲發(fā)生破裂；(Ⅲ)斷裂的擴展和彎曲力急劇下降；(Ⅳ)完全失效。隨著孔隙率的增加，兩種絲徑所制備的隨機型纖維多孔鈦的彎曲強度和彎曲彈性模量都急劇下降，而最大彎曲力對應的撓度則隨孔隙率的增大而增加。扭曲的纖維/絲的伸展、移動、旋轉、彎曲、屈曲或褶皺以及燒結點的剖開或破裂，是隨機型纖維多孔鈦三點彎曲變形和失

8、效的主要機制，其纖維多孔結構中的單根纖維/絲會經歷縮頸變形和韌性斷裂。卸載后孔隙率較大的試樣沒有發(fā)現(xiàn)宏觀斷裂，而孔隙率較小試樣的出現(xiàn)宏觀斷裂跡象。
　　 孔隙率是影響纖維多孔鈦力學性能的重要因素，而孔隙形貌、孔隙尺寸與分布對力其力學性能也有影響，即在孔隙率基本相同時，孔隙越小或分布越均勻(分布區(qū)間窄)，纖維多孔鈦的力學性能越好。
　　 當總孔隙率在44.2±0.1％～7±0.1％之間的隨機型纖維多孔鈦(絲徑為0.08mm

9、)的壓縮性能(壓縮平臺強度：80.1±1.0～147.8±1.8MPa，彈性模量：1.4～2.3GPa)與自然骨(壓強度：88.3～193MPa，彈性模量：1～30GPa)非常接近。然而，從彎曲性能角度講，總孔隙率為54.5±0.1％～57.4±0.1％的纖維多孔鈦的抗彎強度為107.2±1.3～189.5±1.5MPa，與骨抗彎強度(110～184MPa)相近。所以，可以粗略地估計總孔隙率在40.0％～60.0％范圍內的隨機型纖維多孔

10、鈦，具有與人體骨匹配的力學性能，有利于解決或減輕植入體和骨的應力集中或應力屏蔽，延長植入體的壽命。
　　 隨機型纖維多孔鋼呈現(xiàn)出與隨機型纖維多孔鈦類似的準靜態(tài)單軸壓縮行為及變形機制。在所制備的孔隙率范圍內，隨機型纖維多孔鈦和纖維多孔鋼的相對平臺強度和相對密度之間，以及相對彈性模量和相對密度之間的關系可以通過冪律模型很好地進行擬合。較大的指數(shù)表明二者的壓縮彈性模量和平臺強度均對孔隙率較敏感。而且，還發(fā)現(xiàn)四種不同孔隙率的纖維多孔鋼的

11、理想吸能率約在14.4～22.1％應變范圍內達到最高值，約0.878～0.898，顯示出優(yōu)良的吸能性。
　　 隨機型纖維多孔鋼也呈現(xiàn)出與纖維多孔鈦類似的準靜態(tài)單軸拉伸行為及失效機制，但在實驗所測試的孔隙率范圍內，前者的失效試樣并不存在宏觀上的完全斷裂，且前者的最大力總伸長率隨孔隙率的增大而減小，后者卻反之。
　　 隨機型纖維多孔鋼三點彎曲過程經歷最初的彈性變形、較長的偽屈服平臺和彎曲力急劇增加三個階段，類似于其壓縮變形過

12、程，其失效歸因于網狀結構單純的塑性變形，區(qū)別于隨機型纖維多孔鈦三點彎曲行為與失效方式。纖維多孔鋼彎曲屈服強度和彎曲彈性模量隨孔隙率的增加而非線性地下降。
　　 在扭轉載荷下，隨機型纖維多孔鋼經歷結構變形，然后失效。在纖維/絲伸展、移動、旋轉及燒結點的剖開或破裂的機制上發(fā)生網狀結構變形。試樣的失效從其表面上正應力和剪切應力最大處開始，并揭示典型的正斷特性，即具有接近45°斷裂面。剪切強度和剪切模量依賴于孔隙率的大小，均隨孔隙率增加

13、而下降。
　　 隨機型纖維多孔鋼的沖擊韌性隨孔隙率增加而下降，其沖擊失效不能被認為是簡單的脆性斷裂模式或簡單的塑性斷裂模式。在沖擊條件下，隨機型纖維多孔鋼的基本沖擊變形和失效機制，例如：孔棱(纖維/絲)彎曲、屈曲、旋轉、移動、伸展和斷裂，網狀結構中燒結點的剖開或撕裂，有助于良好的能量吸收特性。
　　 此外，三維連通的纖維多孔鈦微球復合納米鍶磷灰石能保持其原有的特性，同時，促進成骨細胞吸附、增殖和分化，更有效地誘導骨形成，